Что такое бронза: виды сплава, состав и свойства. Бронза – состав и его влияние на свойства сплава

С незапамятных времён человечество добывало бронзу. Множество археологических раскопок, в которых были найдены древнейшие артефакты - изделия из бронзы, подтверждают распространение этого сплава в далёком прошлом.

Её использовали как в военных целях - для изготовления холодного оружия, пушек и ядер для них, так и для создания прекрасных произведений искусства - ювелирных украшений и скульптур.

История

Одно из наиболее известных мест, где были найдены бронзовые изделия, располагалось в районе реки Кубань. В этом месте археологом Николаем Веселовским в 1897 году была раскопана так называемая Майкопская культура, существовавшая во второй половине IV тысячелетия до нашей эры.

Бронзовые артефакты, найденные в майкопских курганах, были изготовлены в основном из сплава меди и мышьяка, поэтому считается, что исторически первыми были именно такие сплавы, называемые мышьяковистыми бронзами .

Она ничем не уступала по своим свойствам сплавам меди с оловом или свинцом, и даже превосходила их по ряду характеристик . Она широко применялась в различных областях человеческой деятельности тех времён, начиная от изготовления ответственных деталей и заканчивая ювелирными изделиями.

Состав бронзы

Бронза - это сплав меди с такими металлами, как олово, алюминий, свинец, бериллий, и неметаллами - мышьяк, кремний и фосфор. Кроме того, такие сплавы могут дополнительно легироваться фосфором, цинком, марганцем, железом и никелем.

Состав бронзы зависит от марки сплава и указывается в её обозначении. Например, в состав сплава, имеющего маркировку БрАМц7−1, входят 7% алюминия, 1% марганца и 92% меди .

Таким образом, основным компонентом этого металла является медь (от 35% до 90% и выше). Вторым же компонентом может являться либо мышьяк, либо олово или бериллий, свинец, алюминий, кремний и другие компоненты. Для придания особых свойств в сплав могут добавляться дополнительные компоненты - цинк, железо, никель, марганец, фосфор и другие.

Основные свойства всех бронзовых сплавов - это пластичность и твёрдость. В зависимости от соотношения основных и дополнительных компонентов, можно получать большое разнообразие новых свойств. Кроме того, количество меди в сплаве определяет его цвет.

Так, золотистая бронза получится, если в составе сплава будет около 85% меди, а при уменьшении её количества до 50% получится сплав, имеющий серебристый цвет. Уменьшение же количества меди до 35% и ниже приведёт к получению на выходе серой и даже чёрной бронзы, а увеличение количества меди до 90% и выше приведёт к образованию красной бронзы.

Одной из старых марок бронзовых сплавов является колокольная бронза , применяемая и поныне для литья колоколов. Она содержит 20% олова и 80% меди. Её недостаток - повышенная хрупкость из-за наличия в сплаве большого содержания олова.

Как уже было упомянуто выше, наиболее используемыми являются сплавы меди и олова с добавлением небольшого количества других компонентов. Широкое применение таких сплавов обусловлено, прежде всего, исторически сложившимися причинами, которые привели к вытеснению мышьяковой бронзы из производства.

Такими причинами являются следующие:

выработка за многие века месторождений теннантита и других блёклых руд, богатых медью и мышьяком. Такие руды были наиболее удобны для выделки мышьяковой бронзы, так как залегали не очень глубоко, что делало процесс производства более дешёвым по сравнению с другими источниками меди и мышьяка;
высокая токсичность производства такой бронзы, вызванная наличием в месторождениях мышьяка, что с неизбежностью приводило к потере здоровья и дальнейшей способности трудиться у опытных металлургов и кузнецов;
непригодность металлургического брака и сломанных изделий из мышьяковой бронзы для дальнейшей переплавки на сортовой металл. В лучшем случае такие изделия шли на изготовление бижутерии или неответственных деталей.

Пришедшие на смену мышьяковым бронзам сплавы меди и олова хоть и отличались большей дороговизной производства, но были экономически предпочтительны , так как развитие гужевого транспорта и налаживание вследствие этого торговых связей между городами и странами приводило к увеличению импорта немышьяковой бронзы.

Развитие же крупного промышленного производства вообще привело к тому, что оловянные бронзы стали чуть ли не самым массовым видом бронз. И лишь в последние сто лет этот вид стали вытеснять сплавы меди с заменителями олова, такие как алюминиевые, кремниевые и, особенно, бериллиевые бронзы.

Таким образом, существуют следующие виды:

безоловянная. К ней относят бронзу, в которой вторыми компонентами являются алюминий, кремний, бериллий и другие металлы и неметаллы. Каждый из этих компонентов придаёт ей особые свойства. Например, алюминий наделяет сплав повышенными антифрикционными свойствами и высокой коррозионной устойчивостью, бериллий повышает прочность и твёрдость, а кремний и цинк улучшают её текучесть и устойчивость к истиранию;
оловянная. Медно-оловянный сплав, в котором медь преобладает. Является одним из первых, освоенных человеком. Обладает высокой, по сравнению с чистой медью, твёрдостью и прочностью, а также более легкоплавка. В таких сплавах олово всегда является вторым по количеству после меди и основным легирующим компонентом.

Третьими же по количеству являются такие дополнительные компоненты, как мышьяк, цинк и свинец . Этот металл из-за очень низкой усадки в основном предназначается для литья, так как с трудом поддаётся обработке давлением, резанию и заточке. Даже склонность к ликвации и низкая текучесть не мешают использовать этот сплав для изготовления конфигурационно-сложных отливок, в том числе и в художественном литье.

Бронза с добавлением цинка носит название «адмиралтейской » и используется для изготовления деталей, имеющих частый или постоянный контакт с морской водой (судостроение). Такая особенность связана с тем, что цинк придаёт сплаву повышенную коррозионную стойкость в указанной среде.

Однако, для придания бронзе коррозионной стойкости в солёной морской воде её всё чаще обогащают алюминием и никелем . Такие сплавы, часто называемые «морскими», идут на изготовление элементов нефтяных платформ, работающих на морских и океанских шельфах.

Чтобы придать бронзе дополнительные характеристики, в неё легируют небольшие количества фосфора, серебра, цинка, мышьяка, марганца и других компонентов. Так, внесение небольшого количества серебра повышает электропроводность бронзы и делает её сравнимой с электропроводностью меди.

Области применения и маркировка

Существуют специальные таблицы, в которых приводятся маркировки и описания всех бронзовых сплавов, выпускаемых промышленностью. Однако, даже не обращаясь к подобным таблицам, можно определить тип и химический состав, если знать, как расшифровывается её маркировка.

По простой маркировке можно узнать их состав. Характерным её признаком в обозначении являются буквы «Бр», что означает «Бронза ».

Далее за ними следуют буквы, обозначающие, помимо меди, наличие соответствующих компонентов. Эти буквенные обозначения, установленные нормативными документами, следующие: А - алюминий, Б - бериллий, К - кремний, Ж - железо, Н - никель, Мц - марганец, Мг - магний, С - свинец, О - олово, Т - титан, Ф - фосфор, Ц - цинк.

После буквенных обозначений через дефисы идут числа, обозначающие процентное содержание каждого компонента (после меди). А также применяются обозначения, в которых после каждой буквы указывается процентное содержание того или иного компонента. Чтобы узнать содержание меди, нужно из 100% вычесть процентное содержание всех компонентов.

Вот примеры маркировок и их расшифровок: БрО5Ц6С5 - бронзовый сплав, в котором содержание олова составляет 5%, цинка - 6%, свинца - 5%, меди - 84%; БрО3Ц8С4Н1 - содержание олова - 3%, цинка - 8%, свинца - 4%, никеля - 1%, меди - 84%; БрО10Ф1 - содержание олова - 10%, фосфора - 1%, меди - 89%; БрБ2 - содержание бериллия - 2%, меди - 98%; БрАЖМц10−3−1,5 - содержание алюминия - 10%, железа - 3%, марганца - 1,5%, меди - 85,5%; БрАЖН10−4−4 - содержание алюминия - 10%, железа - 4%, никеля - 4%, меди - 82%.

Благодаря своим разнообразным свойствам этот металл находит самое широкое применение в различных сферах. Из него изготавливают следующие изделия:

элементы декора (светильники, статуэтки, подсвечники, пепельницы, решётки, украшения перил и прочие);
различную фурнитуру (замки, ручки, накладные петли, краны, смесители и прочую сантехнику);
детали машин и механизмов (втулки, уплотнители, шестерни, подшипники, части аппаратуры, работающие под водой);
детали для высокоточной техники, навигационных приборов, схем автомобилей;
многочисленные фитинги (отводы, углы, переходники, муфты, тройники и прочее);
в незначительном количестве ювелирные украшения.

Бронза широко применяется в ракетной технике и машиностроении, авиации и судостроении . Из неё делают предметы высокохудожественного искусства для театров, залов и дворцов, отливают памятники и скульптуры.

Благодаря развитию металлургии, этот металл приобретает всё новые и необычные свойства , недоступные кузнецам и металлургам прошлого. Изобретённый древними, сплав продолжает исправно служить человечеству и прогрессу на протяжении многих и многих веков.

В основе которого лежит медь. Вспомогательными металлами могут быть никель, цинк, олово, алюминий и другие. В этой статье мы рассмотрим виды, технологические признаки, хим. состав бронзы, а также способы ее изготовления.

Классификация

1. По химическому составу этот металл принято делить на две группы. Первая - это оловянные бронзы. В них олово является главным легирующим элементом. Вторая - безоловянные. Ниже мы поговорим об этом более подробно.

2. По технологическим признакам бронзы принято делить на деформируемые и литейные. Первые хорошо обрабатываются под давлением. Вторые используются при фасонных отливках.

Этот металл по сравнению с латунью обладает гораздо лучшими антифрикционными, механическими свойствами, а также коррозийной стойкостью. По сути, бронза - сплав меди и олова (как основного вспомогательного элемента). Никель и цинк здесь не являются главными легирующими элементами, для этого используют такие компоненты, как алюминий, олово, марганец, кремний, свинец, железо, бериллий, хром, фосфор, магний, цирконий и другие.

Оловянные бронзы: литейные

Давайте разберемся, что представляет собой такой металл. Оловянная бронза (фото, приведенное ниже, демонстрирует литые детали) - это сплав, у которого жидкотекучесть ниже, чем у других видов. Однако она имеет несущественную объемную усадку, что позволяет получать фасонные бронзовые отливки. Указанные свойства обуславливают активное применение бронзы при литье антифрикционных деталей. Также рассматриваемый сплав применяют при изготовлении арматуры, предназначенной для эксплуатации в водной среде (в том числе в морской воде) или в водяном паре, в маслах и под высоким давлением. Существуют и так называемые нестандартные литейные бронзы ответственного назначения. Они используются в производстве подшипников, шестерен, втулок, частей насосов, малоуплотнительных колец. Такие детали предназначены для работы в условиях высокого давления, при больших скоростях и малых нагрузках.

Свинцовые бронзы

Этот подвид литейных оловянных сплавов применяется в изготовлении подшипников, сальников и фасонных отливок. Характеризуются такие бронзы невысокими механическими свойствами, вследствие чего в процессе изготовления подшипников и втулок их просто наносят на стальную основу в виде весьма тонкого слоя. Сплавы же с повышенным содержанием олова имеют более высокие механические свойства. Поэтому они могут использоваться без стальной основы.

Оловянные бронзы: деформируемые

Сплавы, обрабатываемые давлением, принято делить на следующие группы: оловянно-фосфористые, оловянно-цинковые и оловянно-цинково-свинцовые. Они нашли свое применение в целлюлозно-бумажной промышленности (из них делают сетки) и машиностроении (производство пружин, подшипников и деталей машин). Кроме того, эти материалы применяются при изготовлении биметаллических изделий, прутков, лент, полос, зубчатых колес, шестерен, втулок и прокладок высоконагруженных машин, трубок контрольно-измерительных приборов, манометрических пружин. В электротехнике широкое применение бронзы (деформируемой) объясняется отличными механическими свойствами (наряду с высокими электрическими характеристиками). Она используется при изготовлении токоведущих пружин, контактов. В химической промышленности из оловянных бронз производят пружинную проволоку, в точной механике - арматуру, в бумажной промышленности - шаберы, в автомобильной и автотракторной - втулки и подшипники.

Эти сплавы могут поставляться в особо твердом, твердом, полутвердом и мягком (отожженном) состоянии. Оловянные бронзы обычно обрабатываются холодными (методом прокатки или волочением). Горячий металл подвергается только прессованию. Под давлением бронза прекрасно обрабатывается как в холодном, так и в горячем виде.

Бериллиевая бронза

Это сплав, относящийся к группе дисперсионно-твердеющих металлов. Он обладает высокими механическими, физическими и упругими свойствами. Бериллиевая бронза отличается высоким уровнем жаропрочности, коррозионной стойкости и циклической прочности. Она устойчива к низкой температуре, не магнитится и не дает искрений при ударах. Закалка бериллиевых бронз осуществляется при температурах 750-790 градусов по Цельсию. Добавка кобальта, железа и никеля способствует при замедлению скорости фазовых превращений, это существенно облегчает технологию старения и закалки. Кроме того, добавление никеля способствует повышению температуры рекристаллизации, а марганец может заменить, пусть и не в полной мере, дорогостоящий бериллий. Указанные выше характеристики бронзы позволяют использовать этот сплав при изготовлении пружин, пружинящих деталей, а также мембран в часовой промышленности.

Сплав меди с марганцем

Такая бронза отличается особыми высокими механическими качествами. Она обрабатывается давлением, как в холодном, таки в горячем состоянии. Данный металл характеризуется повышенной жаропрочностью, а также коррозионной стойкостью. Сплав меди с добавлением марганца нашел широкое применение в топочной арматуре.

Кремниевая бронза

Это сплав, в состав которого входит никель, реже - марганец. Такой металл отличается сверхвысокими механическими, антифрикционными и упругими свойствами. При этом кремниевая бронза не теряет своей пластичности в условиях низкой температуры. Сплав хорошо паяется, обрабатывается давлением и при высоких, и при низких температурах. Рассматриваемый металл не магнитится, не искрит при ударах. Этим объясняется широкое применение бронзы (кремниевой) в морском судостроении при изготовлении антифрикционных деталей, подшипников, пружин, решеток, испарителей, сеток и направляющих втулок.

Литейные безоловянные сплавы

Данный вид бронз характеризуется хорошими коррозионными, антифрикционными свойствами, а также высокой прочностью. Они используются для изготовления деталей, которые эксплуатируются в особо тяжелых условиях. Это, например, клапаны, втулки, шестерни для мощных турбин и кранов, червяки, которые работают в спарке с упрочненными стальными деталями, подшипники, работающие в условиях высокого давления и при ударных нагрузках.

Как сделать бронзу?

Изготовление этого металла необходимо проводить в специальных печах, применяемых для выплавки медных сплавов. Шихту для бронзы можно составить из свежих металлов или же с добавлением вторичных отходов. Процесс плавки обычно осуществляют под слоем флюса или древесного угля.

Процесс с использованием шихты из свежих металлов происходит в определенной последовательности. Сначала в сильно разогретую печь загружается необходимое количество флюса или древесного угля. Затем туда помещают медь. Дождавшись ее расплавления, повышают температуру нагрева до 1170 градусов. После этого расплав необходимо раскислить, для чего добавляют фосфористую медь. Этот процесс можно проводить в два приема: непосредственно в печи, а затем в ковше. В таком случае добавка вводится в равных пропорциях. Далее в расплав добавляют подогретые до 120 градусов необходимые легирующие элементы. Тугоплавкие компоненты следует вводить в виде лигатур. Далее расплавленная бронза (фото, приведенное ниже, демонстрирует процесс выплавки) перемешивается до полного растворения всех добавленных веществ и нагревается до заданной температуры. При выдаче полученного сплава из печи, перед разливкой, его необходимо окончательно раскислить остатком (50%) фосфористой меди. Это делается для высвобождения бронзы от окислов и повышения жидкотекучести расплава.

Выплавка на основе оборотных материалов

Для того чтобы изготовить бронзу с использованием вторичных металлов и отходов, плавку следует производить в следующем порядке. Сначала расплавляют медь и раскисляют ее фосфористыми добавками. Затем добавляют в расплав оборотные материалы. После этого дожидаются полного расплавления металлов и вводят легирующие элементы в соответствующей последовательности. В том случае, если шихта состоит из малого количества чистой меди, следует сначала расплавлять оборотные металлы, а затем добавлять медь и легирующие элементы. Плавка проводится под слоем флюса или древесного угля.

После расплавления шихты и нагрева ее до требуемой температуры проводится окончательное раскисление смеси фосфористой медью. Далее расплав накрывают сверху прокаленным углем либо просушенным флюсом. Расход последнего составляет 2-3 процента от массы металла. Нагретый расплав выдерживается 20-30 минут, периодически помешивается, а затем с его поверхности удаляется выделенный шлак. Все, бронза готова для литья. Для лучшего снятия шлака в ковш можно добавить который сгущает его. Чтобы определить, готова ли бронза для разливки в формы, проводится специальная технологическая проба. Излом такого образца должен быть однородным и чистым.

Алюминиевая бронза

Это сплав меди и алюминия в качестве легирующего элемента. Процесс плавки данного металла существенно отличается от приведенных выше, что объясняется химическими особенностями вспомогательного компонента. Рассмотрим, как сделать бронзу с использованием алюминиевых легирующих компонентов. При изготовлении этого вида сплава с использованием оборотных материалов в шихте операцию по раскислению фосфористыми компонентами не применяют. Это объясняется тем, что фосфор характеризуется меньшим сродством к молекулам кислорода, чем алюминий. Также следует знать, что данный вид бронзы весьма чувствителен к перегревам, поэтому температура не должна превышать 1200 градусов. В перегретом же состоянии алюминий окисляется, и бронзовый сплав насыщается газами. Кроме того, окись, образованная при плавке такого вида бронзы, не восстанавливается путем добавления раскислителей, и ее весьма трудно удалить из расплава. Окисная пленка имеет очень высокую температуру плавления, что существенно снижает жидкотекучесть бронзы и вызывает брак. Плавка проводится очень интенсивно, на верхних пределах температур нагрева. Кроме того, не следует задерживать готовый расплав в печи. При плавке алюминиевой бронзы в качестве покрывающего слоя рекомендуется использовать флюс, который состоит на 50% из и на 50% из криолита.

Готовый расплав перед разливкой по формам рафинируют путем введения в него хлористого марганца либо хлористого цинка (0,2-0,4% от общей массы шихты). После этой процедуры сплав следует выдержать пять минут до полного прекращения газовыделения. После чего смесь доводят до требуемой температуры и разливают в формы.

С целью предупреждения ликвации в расплав бронзы с высоким содержанием свинцовых примесей (50-60%) рекомендуется добавлять 2-2,3% никеля в виде медноникелевых лигатур. Или же в качестве флюсов необходимо использовать сернокислую соль щелочных металлов. Никель, серебро, марганец, если они входят в состав бронзы, следует вводить в расплав до процедуры присадки олова. Кроме того, для улучшения качества получаемого сплава ее иногда модифицируют незначительными добавками на основе тугоплавких металлов.

История бронзы суть история человеческой цивилизации. Это первый сплав, полученный человеком еще на заре 3 тысячелетия до н. э. Изменялся его состав, совершенствовалась технология получения, но своего огромного значения он не утрачивал никогда.

2 медных сплава, однако, к бронзе отношения не имеют: это – сплав меди с , и мельхиор – с . Латунь заметно уступает бронзам по коррозионной стойкости и твердости. Это сплав пластичный и сохраняет превосходную ковкость при самых разных . И если в искусстве предпочтение отдается бронзе, то выигрывает.

Плюсы и минусы

Столь давняя известность и длительное использование материала может объясняться только массой его превосходных качеств. А также возможности эти качества изменить, используя в качестве легирующей добавки другой компонент.

Разнообразие – одно из лучших свойств материала. Оловянные, алюминиевые, серебряные, бериллиевые бронзы применяются чрезвычайно широко в самых неожиданных сферах, поскольку добавка других металлов придают составу совершенно другие качества. Так, большинство бронзовых сплавов относительно плохо проводят электричество. Чего нельзя сказать о серебряной бронзе: при доле в какие-то 0,25% серебра сплав проводит ток не хуже меди.
Бронзовые составы могут быть литьевыми и деформируемыми. То есть, для определенных целей можно получить сплав, подвергающийся холодной ковке – деформация при нормальной температуре, и сплав, который можно отливать.
Бронзовые отливки дает минимальную усадку – от 0,5 до 1,5%. Это свойство объясняет популярность материала не только среди скульпторов, но и в сфере приборо- и станкостроения.
Бронза – материал, который можно использовать и второй раз, и третий, и четвертый. Сплав отлично переносит повторные плавки.
Сплав безопасен. Если при изготовлении его некоторые компоненты могут быть опасными – бериллий, например, то готовый материал совершенно нетоксичен.
Она отличается исключительной коррозийной стойкостью: ни городской загазованный воздух, ни морская вода не вызывают деформации материала или снижения его качеств. Даже действию большинства кислот бронза не подвержена, поэтому часто используется при изготовлении кислотоупорной аппаратуры.
Еще одно интересное качество многих сплавов – высокая упругость. Материал применяют при изготовлении разнообразных высокоточных пружин, отличающихся долговечностью.

К недостаткам сплава можно отнести его стоимость. Медь, а тем более – металлы хотя относительно распространенные, но дорогие в получении. Другие виды бронз – алюминиевая, например, стоит намного меньше, поскольку легирующим компонентом выступает более доступный по стоимости материал.

Можно назвать недостатком и низкую теплопроводность большинства сплавов. Однако это качество тоже нашло применение – при изготовлении аксессуаров для ванной или самих ванн и умывальников.

Разновидности

Различают бронзы по нескольким признакам, указывающим на состав и на более характерные свойства.

По составу выделяют:

оловянные – сплавы могут быть двух- и многокомпонентными. Однако олово здесь остается вторым по массе ингредиентом;
безоловянные – все остальные: алюминиевая, бериллиевая, кремниевая, и так далее. Каждый из компонентов придает бронзе какие-то свойства. Так, бериллий обеспечивает материалу исключительную упругость и очень высокую износостойкость, а добавка кремния обеспечивает антифрикционные свойства.

По применению различают бронзы такие:

деформируемые – сплавы легко поддаются ковке, их можно прокатывать, ковать, резать;
литьевые – изделия получают методом литья, поскольку деформируется она только при высокой температуре. Из сплава получают отливки самой сложной конфигурации.

Более специфическое разделение бронз связано со структурой:

однофазные – компоненты в твердом растворе образуют одну какую-то фазу;
двухфазные в растворе появляются 2 фазы, что приводит обычно к радикальной смене свойств.

Про основные свойства, механические характеристики бронзы и отличие химического состава данного металла от латуни читайте ниже.

Свойства и характеристики

Более распространены в народном хозяйстве оловянные бронзы. Как правило, при описании свойств указывают параметры литьевых оловянных, поскольку этим способом получают большее количество изделий.

К основным техническим характеристикам сплава относят следующие качества:

плотность – определяется массовой долей олова. Так, при его содержании от 8 до 4%, плотность изменяется от 8,6 до 9,1 кг/куб. см;
в зависимости от состава сплава температуры плавления его изменяется от 880 до 1060 С;
оловянная бронза тепло проводит плохо – от 0,098 до 0,2 кал/(см*с*С);
теплоемкость составляет в среднем 0,385 кДж / (кг*К);
электропроводность большинства бронз тоже не слишком велика и значительно меньше, чем у меди: величина удельного электросопротивления составляет 0,087– 0,176 мкОм*м;
материал очень медленно корродирует и на воздухе, и при контакте с водой. Так, скорость коррозии на воздухе составляет 0,002 мм/год, а в морской воде – 0,04 мм в год.

О том, какие металлы и что еще входит в состав бронзы, какова ее формула и хим. содержание, узнаете ниже.

О том, как покрасить металл «под бронзу», расскажет данное видео:

Структура и состав

Свойства сплава – от цвета до жидкотекучести в расплавленном виде, зависят от двух главных факторов: качественного состава бронзы и его структуры. Качественный состав – это набор металлов или неметаллов, участвующих в создании сплава в ощутимом значимом количестве. Причем последнее определяется не собственно массой или объемом вещества, а выраженностью тех свойств, которые он создает. Добавка всего лишь 0,25% серебра значительно увеличивает электропроводность, а чтобы получить антифрикционные свойства добавить нужно не менее 4% кремния.

Второй фактор менее известен – это структура сплава или твердого раствора . Дело в том, что в меди может раствориться только 15,8% олова, в то время как в сплаве его может быть заметно больше. Это и обуславливает появление сплавов с разной фазовой структурой.
- Однофазные – доля олова не превышает 6–8%, здесь существует только одна α-фаза. Такой состав отличается эластичностью и высокой ковкостью. Причем в бронзу с содержанием олова до 2%, можно ковать на холоде без нагрева, а с содержанием металла до 8% – при нагреве.
- Двухфазные – при превышении доли олова в 15%, то есть максимума растворимости, в твердом растворе появляются 2 фазы. При этом такое качество, как ковкость совершенно исчезает, а сплав начинает набирать твердости и некоторой хрупкости. Такой сплав используют для литья.

Дополнительные элементы, влияющие на свойства, на фазовый состав оказывает малое влияние.

Производство материала

из чистых металлов или сплавов в чушках. Второй более распространен, так как дешевле и позволяет получить любые литьевые бронзы.

Первым этапом является добыча меди и олова на месторождениях. Олово содержится в касситеритах, станнинах и так далее. Медь более распространена: ее добывают из самородной меди и множества минералов – халькопирита, борнита, халькозина. Выделяют металл несколькими разными способами, из которых пирометаллургический, то есть, окислительный отжиг и огневое рафинирование, является наиболее распространенным.
Затем рассчитывают состав шихты: это зависит от состава будущего изделия и от метода получения – из вторичных сплавов, из металла и вторичных сплавов и так далее.
Сама по себе плавка, например, из чушек, включает несколько этапов: – материал загружают в просушенные и нагретые графито-карборудные или графито-шамотные тигли. Лучше всего подходят электрические и электродуговые печи, так как с их помощью можно осуществить плавку как можно быстрее. Это важно, поскольку при сплавлении металлов велика вероятность поглощения газов расплавом;
расплавление – в первую очередь плавят медь, а затем добавляют различные компоненты, улучшающие механические свойства сплава, и основные легирующие добавки;
перегрев – расплав прогревают до 1200 С под слоем древесного угля. Если исходные металлы загрязнены, применяют жидкие солевые флюсы;
дегазация – расплав очищают от газовых примесей путем продувки аргоном или азотом.
Из готового сплава получают отливки. Чаще всего для этого используют литниковые системы. Литье производится в глиняные или металлические формы. Возможно получение отливок способом центробежного литья.

В 2016 году отмечен рост цен на медь – до 4%, и олово – до 10,3%. Соответственно, повышается стоимость продукции из бронзы и бронзового лома. Последний в октябре имел стоимость от 190 до 210 р. за кг.

Цена продукции – пруток, отливка, лист, зависит от состава сплава. Так, пруток разной марки можно приобрести и за 308, и за 803 р. за кг.

Область применения

Бронзовые сплавы, благодаря разнообразию своих свойств, находят самое разное .

Самое известное – материал для скульптур и множества декоративных предметов: статуэток, пепельниц, светильников, решеток, украшения перил и прочего. Литьевая бронза позволяет получить самые сложные отливки, передающие буквально поры кожи.
В ювелирном деле материал применяется заметно реже, хотя раньше составлял едва ли не основу женских украшений.
Бронзовая фурнитура – накладные петли, замки, ручки, краны, смесители и даже сантехника. Сплав обеспечивает не только исключительную долговечность и стойкость к коррозии предметов, но и позволяет превратить их в изящнейший элемент декора.
Из литейной бронзы разного состава получают множество деталей – шестерни, втулки, уплотнители, части аппаратуры, предназначенные работать под водой.
Деформируемые бронзы находят применение в высокоточной технике.
Другие виды сплавов используются в тех областях, где привычная оловянная бронза не применяется. Так, например, бериллиевая бронза обладает куда более высокой тепло- и электропроводностью, а потому активно используется в электротехнике.

Сплав превосходно показывает себя в условиях переменных динамических нагрузок. Поэтому из бериллиевой бронзы изготавливают детали навигационных самолетных приборов, схем автомобилей и прочее.

Еще одно всем известное применение – фитинги самого разного рода. Для более активного использования в водоснабжении бронза является чересчур дорогостоящим материалом, однако наиболее ответственные узлы, а также многочисленные крепления изготавливают из медного сплава, поскольку он отличается чрезвычайной стойкостью к коррозии и подавляет активность бактерий.

Бронзы – самый старинный и известный сплав в истории человечества. Разнообразие его состава и свойств обеспечивает ему и сегодня самое широкое распространение.

О том, как отчистить изделия из бронзы, расскажет данный видеосюжет:

Своей высокой популярностью бронза обязана не только своим декоративным характеристикам, но и целому ряду других свойств. Между тем немногие из тех, кто использует данный металл, могут назвать состав бронзы, а ведь именно он определяет характеристики этого медного сплава.

Основные легирующие добавки

Бронза – это цветной , определяющей большую часть его характеристик. Производить и использовать бронзу для изделий различного назначения человек начал еще с древних времен, о чем свидетельствуют результаты археологических раскопок. Изначально использовалась бронза, состав которой был обогащен оловом. К сплавам данного типа относится, в частности, так называемая колокольная бронза (из нее на протяжении многих веков отливали колокола).

Кроме бронз, содержащих в своем составе олово, сегодня активно используются и сплавы меди, в которых данного химического элемента нет. Вместо олова в качестве основной легирующей добавки в таких медных сплавах применяются:

бериллий, который придает бронзе повышенную прочность;
кремний и цинк – элементы, благодаря которым поверхность бронзового изделия становится очень устойчивой к истиранию и улучшается текучесть бронзы, что особенно важно для выполнения литейных операций;
свинец, придающий бронзе устойчивость к коррозии;
алюминий, наделяющий бронзу достойными антифрикционными свойствами и высокой устойчивостью к коррозии.

На вопрос же о том, какой металл обязательно присутствует в любой бронзе, можно ответить однозначно: это медь.

Химический состав различных марок бронзы (нажмите для увеличения)

Кроме разделения по химическому составу, существует классификация по технологии обработки:

деформируемые (используемые для производства изделий, которые обрабатывают методом пластической деформации);
литейные (изделия из них производят методом литья).

Современная промышленность выпускает множество марок бронзы, отличающихся своим химическим составом и, соответственно, характеристиками и областью применения. Многие опытные мастера даже по цвету бронзы могут определить, к какому типу она относится. Однако далеко не все это умеют. Самым верным и наиболее простым способом получения информации о том, что содержится в составе бронзы определенной марки и к какому типу она относится, является расшифровка маркировки, которая включает в себя как буквенные, так и цифровые обозначения.

Все марки бронзовых сплавов, выпускаемые современными предприятиями в строгом соответствии с требованиями нормативных документов (ГОСТов), перечислены в специальных таблицах, из которых можно получить информацию не только о химическом составе сплава определенной марки, но и о сферах его применения и характеристиках. Впрочем, даже не пользуясь такими таблицами, можно определить тип сплава и его химический состав, если знать, по какому принципу формируется его обозначение.

Механические свойства и применяемость оловянных бронз (к — литье в кокиль, п — литье в песчаную форму)

Понять, что перед вами бронза, сплав меди, можно по первым буквам «Бр», присутствующим в маркировке. После них ставятся буквы, по которым можно узнать, какие еще металлы, кроме меди, содержатся в химическом составе данного сплава. Нормативным документом установлены следующие правила обозначения химических элементов, присутствующих в составе бронзы:

Что характерно, в маркировке бронзы любой марки не указывается количество меди, содержащейся в ее химическом составе. При этом цифры, присутствующие в обозначении, указывают на количественное содержание (в целых долях процента) остальных элементов. Соответственно, количество меди, содержащееся в бронзе определенной марки, высчитывается как разность между 100% всего состава и количеством добавок. Например, в бронзе марки Бр АЖ 9-4, содержится 9% железа и 4% алюминия, остальные 87% составляет медь.

Количество чистой меди, содержащейся в составе бронзы, оказывает влияние не только на технологические и эксплуатационные характеристики изделия, но и на цвет его поверхности. Так, изделия из наиболее распространенных марок бронзовых сплавов, в составе которых около 85% меди, отличаются золотистым цветом. Если количество меди уменьшить до 50%, то на выходе может получиться белая бронза, очень похожая по своему цвету на серебро. При желании может быть получена серая и даже черная бронза – такого результата можно добиться, если уменьшить количество меди в составе сплава до 35% и ниже.

Многие старые бронзовые изделия, поверхность которых имеет практически черный цвет, приобрели его не из-за использования для их производства сплава определенного состава, а в результате воздействия времени и различных внешних факторов (пожары, длительное нахождение в сырой земле и др.). В древности просто не могло существовать технологий производства бронзы, состав которой дополняют редкоземельные металлы, придающие ей насыщенный черный цвет.

Марки и сферы их применения

Естественно, что различные химические элементы в состав любой бронзы вводят не бесцельно, а для того, чтобы улучшить ее свойства. Так, содержание в бронзе такого металла, как олово, оказывает влияние на ее пластичность. Чем больше в составе бронзы содержится данного металла, тем более твердым и, соответственно, более хрупким становится сплав. Однако самое значительное влияние на твердость и прочность бронзы оказывает такой химический элемент, как бериллий. Некоторые марки бронзовых сплавов, содержащие в своем химическом составе бериллий, превосходят по своим прочностным характеристикам высококачественные стали. Если подвергнуть процедуре закалки, то она наряду с высокой прочностью приобретает упругость, что позволяет изготавливать из такого материала пружины, рессоры и мембраны различного назначения.

Свойства и применение бериллиевых бронз (нажмите для увеличения)

Из бронзовых сплавов, химический состав которых обогащен алюминием, производят изделия, которые должны сочетать достаточно высокую прочность с исключительной коррозионной устойчивостью. Благодаря характеристикам бронзовых сплавов данного типа изделия из них успешно эксплуатируются в самых неблагоприятных условиях (повышенная влажность, воздействие морской воды и др.). В тех случаях, когда из бронзы необходимо изготовить изделие, которое в процессе эксплуатации будет подвергаться значительным ударным и фрикционным нагрузкам, лучше применять сплавы, содержащие в своем химическом составе свинец. Из такой бронзы, в частности, производятся подшипники, используемые в механизмах различного назначения.

Бронзы, в составе которых, кроме меди, содержится кремний и цинк, отличаются повышенной текучестью в расплавленном состоянии, поэтому их используют преимущественно для производства сложных деталей методом литья. Отличительным данного типа является и то, что при механическом воздействии на изделия, которые из них изготовлены, не образуются искры. Такое качество очень важно во многих случаях.

Относительно новым видом бронз, которые были разработаны в связи с развитием нефтедобывающей промышленности, являются медные сплавы, состав которых обогащен алюминием и никелем. Такие бронзы, отличающиеся исключительной коррозионной устойчивостью, часто называют морскими, потому что изделия из них способны сохранять все свои первоначальные характеристики даже после длительной эксплуатации в соленой морской воде. Получить такие сплавы, которые активно используются для производства элементов нефтяных платформ, устанавливаемых на морских и океанских шельфах, удалось благодаря развитию металлургической промышленности.

Большая часть марок бронзовых сплавов не магнитится, что дает возможность успешно использовать их для производства изделий электротехнического назначения.

Как производят бронзу

За длительный период существования технологии производства бронзы изменились только инструменты и оборудование, а суть осталась прежней. Как и в древние времена, в качестве сырья для получения этого медного сплава может выступать шихта или бронзовые отходы, а флюсом, который предотвращает слишком интенсивное окисление металла в расплавленном состоянии, является древесный уголь.

Сам процесс плавки, в результате которой и получают бронзу, выполняется в следующей последовательности.

Тигель с исходным сырьем помещают в печь, предварительно разогретую до требуемой температуры.
Чтобы металл после расплавления сильно не окислялся, к нему добавляют измельченный древесный уголь – флюс.
После того как металл полностью расплавится и хорошо прогреется, в его состав вводят фосфористую медь, играющую роль кислотного катализатора.
После некоторой выдержки в прогретом состоянии в расплавленный металл добавляют легирующие и связующие элементы (лигатуры), после чего полученный сплав тщательно перемешивается.
Перед разливкой расплавленного металла в него вновь добавляют фосфористую медь, которая в данном случае необходима для снижения активности окислительных процессов.

На всех этапах производства надо очень тщательно следить за соблюдением правильного температурного режима в печи и самом сплаве. Следует также контролировать количество легирующих и связующих компонентов, добавляемых в расплавленный металл.

Как сделать бронзу? Этот вопрос стоит перед многими мастерами, желающими проявить себя в художественном литье, или людьми, решившими повысить свой уровень образованности в работе с различными металлическими сплавами. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо для начала разобраться что такое бронза, из чего она состоит и только потом подробно рассмотреть весь процесс плавки этого материала.

1 Что такое бронза?

Бронза (итал. “bronzo”) – это сплав в определенных пропорциях меди и олова, где медь всегда является первичным или основным компонентом, а олово вторичным или необязательным. Вместо него в сплав могут быть введены кремний, свинец, алюминий, бериллий и другие металлы, кроме никеля и цинка, хотя иногда и они вводятся в небольших пропорциях.

Бронзовый сплав имеет свои достоинства и недостатки. К положительным техническим характеристикам можно отнести:

большую твердость и прочность по сравнению с медью;
легкоплавкость;
обладает всеми достоинствами для литья;
имеет высокие антикоррозийные свойства;
обладает хорошей устойчивостью к износу при длительном трении.

Недостатками бронзы считаются:

плохо поддается ковке, штамповке и прокатке, то есть всем процессам, происходящим под давлением;
туго режется;
плохо затачивается.

По названию добавляющегося металла происходит название полученного бронзового сплава. При добавлении олова получают оловянную бронзу, алюминия – алюминиевую бронзу, бериллия – бериллиевую и т. д.

Классической (колокольной) или основной считается оловянная бронза, в которой медь берется из расчета 80 % ± 3 %, а олово – 20 % ± 3 % от всего сплава. При изготовлении бронзы могут легироваться другие металлы, например, никель, свинец, фосфор и мышьяк. Это делают для придания металлу дополнительных технических свойств. Бронза может быть однокомпонентной, при которой медь сплавляется с одним добавочным металлом, или многокомпонентной, где при сплавлении участвует несколько материалов. Многокомпонентные бронзы считаются более сложными и имеют улучшенные технические характеристики.

Также процесс изготовления бронзы предусматривает получение первичного или вторичного материала. Чтобы получить первичный классический сплав, необходимо сплавить медь и олово, вторичный – при выплавке применить в качестве дополнительного компонента саму бронзу.

Открытие бронзового сплава сыграло большую роль в развитии человеческой эпохи. Конец 4 тысячелетия до н. э. считается временем первого изготовления бронзы и началом длительного пути человека в освоении сплавов различных металлов. Открытие было настолько значимым в истории, что ознаменовало собой начало целой исторической эпохи – Бронзового века. Изготовить бронзу в древние времена было невероятно сложно, что подтверждают попытки получения металла в настоящее время в домашних условиях.

2 Классическая технология изготовления бронзы

Изготовить бронзу можно путем плавки основного компонента меди и дополнительного, например, олова, в стальной или чугунной вращающейся втулке с помощью электрической дуги.

При плавлении оловянных бронз образуются оксиды при непосредственном взаимодействии меди и олова, что снижает технические свойства полученного сплава. Во избежании потери эксплуатационных свойств бронзы перед добавлением олова в расплавленную медь ее раскисляют фосфором, то есть в добавляют фосфористую медь, где количество фосфора не превышает 10 %.

Химическая реакция с образованием паров фосфорного ангидрида позволяет провести процесс удаления неметаллических включений в меди. Фосфор – это недорогой раскислитель, значительно снижающий хорошее свойство меди электропроводность. Поэтому иногда для избежания этого эффекта используются более дорогие компоненты в качестве раскислителя. К ним можно отнести кальций, литий и калий.

Процесс плавления, чтобы получить бронзу, делают под слоем древесного угля или его смеси с содой – флюса, и он проходит в несколько общих этапов:

при температуре около 1100 °C под слоем флюса или угля.
Ввод фосфористой меди (около 10 %) для раскисления.
Добавление дополнительных компонентов для получения однокомпонентного сплава – олова, многокомпонентного – всех дополнительных составляющих, вторичного бронзового сплава – бронзы.
Прогревание полученного сплава до температуры 1200 °C.
Рафинирование – удаление вредных неметаллических примесей висмута, марганца, серы и сурьмы, а также иногда алюминия, железа, кремния и растворенных газов водорода и кислорода из сплава путем окисления основного компонента.
Модифицирование для повышения механических свойств сплава.
Разлив по формам при температуре до 1300 °C.

Оловянные бронзы более просты в процессе выплавки и менее склонны к перегреву, чем алюминиевые. Для алюминиевой бронзы очень важен температурный режим, поэтому температура плавления выше 1200 °C не допускается.

3 Изготовление неоловянных бронз

Чтобы изготовить алюминиевую бронзу, необходимо не только следить за температурой, но и хорошо размешать сплав перед заливкой в формы. Это делается из-за большой разницы в плотности сплавляемых компонентов, ведь медь и алюминий могут расслоиться. Поэтому сам процесс немного видоизменяется:

Медь расплавляется под флюсом и раскисляется.
Вводятся дополнительные компоненты в чистом виде или в виде смеси с медью.
Производится вторичное раскисление.
Вводится алюминий.
Засыпается поверхность сплава флюсом.
Сплав рафинируется хлористым марганцем, модифицируется ванадием, бором или вольфрамом и заливается в формы.

Бериллиевая бронза выплавляется по общим этапам в индукционных печах. В процессе применяют графитовые тигли. Высокая токсичность получаемой пыли и паров при изготовлении этого вида бронзы требует проведения выплавки в отдельных изолированных помещениях с мощной системой вентиляции.

Кремнистые бронзы получают в электрических индукционных печах с применением древесного угля. Как и для алюминиевых, для кремниевых сплавов важен контроль за температурой плавления.

Конечный продукт сплава представляет собой металлическую чушку, причем вес ее обычно не более 42 кг. Все чушки, получившиеся в результате разовой плавки, относят к одной партии, вес партии не ограничивается.
Как и любая продукция, бронзовые чушки имеют документ о качестве, отражающий основную информацию: товарный знак производителя, марку выплавленной бронзы, массу и номер партии, количество чушек в партии и их химический анализ.

Необходимость изготовления бронзы обусловлена широкой сферой применения. Арматура, все детали, работающие в непосредственном контакте с паром и маслами, вкладыши подшипников, фасонные элементы трубопровода – вот небольшой список использования бронзы.